Заключение

В серии экспериментов по моделированию НД у лабораторных животных выявлены изменения кальпаин / кальпастатиновой системы, характерные для заболеваний с хроническим течением (на примере модели амилоидной НД) и острых расстройств (модель глутаматной токсичности). Проявления хронического процесса заключаются в накоплении активированных / аутолизованных фрагментов кальпаинов на фоне дефицита естественного ингибитора, кальпастатина, и направлены на повышение каталитической активности Са²⁺-зависимых протеиназ. Изменения кальпаиновой системы и ее регуляции при остром токсическом повреждении, напротив, подтверждают гипотезу о дефиците Са²⁺ в клетке на начальном, бессимптомном этапе индуцированной НД. В обоих случаях наблюдаемые изменения тесно связаны с дисбалансом внутриклеточного Са²⁺.

Учитывая деструктивный потенциал кальпаиновой системы, очевидна необходимость ингибирования кальпаинов для купирования острых нейропатологий и замедления течения многих хронических НДЗ. Однако современные представления о роли кальпаинов в нормальной физиологии позволяют предсказать, что воздействие ингибиторов кальпаинов грубо нарушит базовые жизненно важные функции; это многократно подтверждено в ходе клинических испытаний (Goll et al., 2003) Вместе с тем, экзогенные вещества, модулирующие активность кальпаиновой системы за счет регуляции синтеза протеиназ и их ингибитора, а также изменяющие баланс Са²⁺, среди которых изученный стероидный гормон 17β-эстрадиол и регуляторы кальциевых токов, могут оказаться более перспективными в качестве нейропротекторов. Необходимы дальнейшие исследования сложного баланса физиологической и патологической активности кальпаинов, нарушение которого лежит в основе патофизиологии многих НДЗ и имеет универсальные проявления для всех заболеваний, сопряженных с нарушением баланса кальция, результаты проведенных модельных экспериментов можно экстраполировать на широкий круг родственных нарушений – хронических и острых нейропатологий.

Список литературы

1. Бондарева Л.А., Немова Н.Н., Кяйвяряйнен Е.И. Внутриклеточная Са²⁺-зависимая протеолитическая система животных. М.: Наука, 2006. 304 с.

2. Немова Н.Н., Лысенко Л.А., Канцерова Н.П., Протеазы семейства кальпаинов. Структура и функции. Отногенез. 2010. Т. 41. (5): 381-389.

3. Nixon R.A. The calpains in aging and aging-related diseases. // Ageing Res. Rev. 2003. V. 2. P. 407–418.

4. Siman R., Noszek J.C. Excitatory amino acids activate calpain I and induce structural protein breakdown in vivo. // Neuron. 1988. V. 1. P. 279-287.

5. Carragher N.O., Walkеr S.M., Scott Carragher L.A., Harris F., Sawyer T.K., Brunton V.G., Ozanne B.W., Frame M.C. Calpain 2 and Src dependence distinguishes mesenchymal and amoeboid modes of tumour cell invasion: a link to integrin function. // Oncogene. 2006. V. 25. P. 5726–5740.

6. Chakraborti S., Alam M.N., Paik D., Shaikh S., Chakraborti T. Implications of calpains in health and diseases // Indian J. Biochem. Biophys. 2012. V. 49(5). P. 316-328.

7. Moldoveanu T., Gehring K., Green D.R. Concerted multi-pronged attack by calpastatin to occlude the catalytic cleft of heterodimeric calpains // Nature. 2008. V. 456. P. 404-408.

8. Averna M., De Tullio R., Capini P., Salamino F., Pontremoli S., Melloni E. Changes in calpastatin localization and expression during calpain activation: a new mechanism for the regulation of intracellular Ca(2+)-dependent proteolysis. // Cell. Mol. Life Sci. 2003. V. 60. P. 2669–2678.

9. Hanna R.A., Campbell R.L., Davies P.L. Calcium-bound structure of calpain and its mechanism of inhibition by calpastatin // Nature. 2008. V. 456. P. 409-413.

10. Berridge M.J., Bootman M.D., Roderick H.L. Calcium signalling: dynamics, homeostasis and remodelling. // Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 2003. V. 4(7). P. 517-529.

11. Bevers M.B., Neumar R.W. Mechanistic role of calpains in postischemic neurodegeneration // J. Cereb. Blood Flow Metab. 2008. V. 28(4). P. 655-673.

12. Алтаева Э.Г., Лысенко Л.А., Канцерова Н.П., Немова Н.Н., Шенкман Б.С. Базальный уровень кальция в волокнах камболовидной мышцы крысы при гравитационной нагрузке. Механизмы увеличения и роль в активации кальпаинов. // Докл. АН. 2010. Т. 433. № 1. С. 138-141.

13. Atherton J., Kurbatskaya K., Bondulich M., Croft C.L., Garwood C.J., Chhabra R., Wray S., Jeromin A., Hanger D.P., Noble W. // Aging Cell. 2014. V. 13. P. 49–59.

14. Abele K., Yang J. // Acta Physiologica Sinica. 2012. V. 64(5). P. 504–514.

15. Carrell R.W., Lomas D.A. Conformation disease// Lancet. 1997. V. 350. P. 134-138.

16. Hardy J. // J. Neurochem. 2009. V. 110. P. 1129-1134.

17. Grundke-Iqbal I., Iqbal K., Tung Y.C., Quinlan M., Wisniewski H.M., Binder L.I. // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1986. V. 83. P. 4913-4917.

18. La Ferla F. // Nat. Rev. Neurosci. 2002. V. 3. P. 862-872

19. Tydlacka S., Wang C.E., Wang X., Li S., Li X.J. Differential activities of the ubiquitin-proteasome system in neurons versus glia may account for the preferential accumulation of misfolded proteins in neurons // J. Neurosci. 2008. V. 28. P. 13285-13295.

20. Danysz W., Parsons C.G. // Brit. J. Pharmacol. 2012. V. 167. P. 324–352.

21. Berry J.N., Sharrett-Field L., Butler T.R., Prendergast M.A. // Neurosci. 2012. V. 222. P. 147–158.

22. Vaisid T., Kosower N.S., Elkind E., Barnoy S. // J. Neurosci. Res. 2008. V. 86. P. 2314-2325.

23. Vosler P.S., Brennan C.S., Chen J. // Mol. Neurobiol. 2008. V. 38. P. 78-100.

24. Bezprozvanny I. Calcium signaling and neurodegenerative diseases // Trends Mol. Med. 2009. V. 15. P. 89-100.

25. Bradford M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding // Anal. Biochem. 1976. V. 72. P. 248-254.

26. Enns D.L., Belcastro A.N. Early activation and redistribution of calpain activity in skeletal muscle during hindlimb unweighting and reweighting // Can. J. Physiol. Pharmacol. 2006. V. 84. P. 601-609.

27. Figueiredo-Petera M.E., Efthimiopoulos S., Tezapsidis N. Distinct secretases, a cysteine protease and serine protease, generate the C-termini of amyloid β-proteinase Aβ 1-40 and Aβ 1-42, respectively // J. Neurochem. 1999. Vol. 72. P. 1417-1422.

28. Goll D.E., Thompson V.F., Li H., Wei W., Cong J. Calpain system // Physiol. Rev. 2003. Vol. 83,N 3. P. 731-801

29. Grynspan F., Griffin W.R., Catalado A. Active site-directed antibodies identify calpain II as early-appearing and pervasive component of neurofibrillary pathology in Alzheimer’s disease // Brain Res. 1997. Vol. 763. P. 145-158.

30. Guttmann R.P., Johnson G.V.W. Calpain-mediated proteolysis of neuronal structural proteins // Calpain–Pharmacology and Toxicology of Calcium-dependent Protease, Taylor & Francis, Philadelphia, PA. – 1999. – С. 229-249.

31. Han P., Dou F. et al. Suppression of cyclin-dependent kinase 5 activation by amyloid precursor protein: a novel excitoprotective mechanism involving modulation of tau phosphorylation //J. Neurosci. 2005. Vol. 25, N 50. P. 11542-11552

32. Hood J.L., Brooks W.H., Roszman T.L. Differential compartmentalization of the calpain/calpastatin network with the endoplasmic reticulum and Golgi apparatus // J. Biol. Chem. 2004 V. 279. P. 43126-43135

33. Kolchinskaya L.I., Malysheva M.K. Activity of calpain in subcellular fractions of the rat brain // Neurophysiol. 2004. V. 36. P. 265-271.

34. Kusakawa G.-I., Saito T., Oonuki R. Calpain-dependent proteolytic cleavage of the p35 cyclin-dependent kinase activator to p25 // J. Biol. Chem. 2000. Vol. 275. p. 17166-17172.

35. Lee M.-S., Kwon Y. T., Li M., Peng J., Friedlander R.M., Tsai L.H. Neurotoxicity induces cleavage of p35 to p25 by calpain // Nature. 2000. Vol. 405. P. 360-364.

36. Leissring M.A., Akbari Y., Fanger C. M. et al. Capacitative calcium entry deficits and elevated luminal calcium in mutant presenilin-1 knockin mice // J. Cell. Biol. 2000. Vol. 149. P. 793-797.

37. Litersky J.M., Johnson G.V. Phosphorylation by cAMP-dependent protein kinase inhibits the degradation of tau by calpain // J. Biol. Chem. 1992. Vol. 267. P. 1563-1568

38. Marcilhac A. Intracellular signaling pathways, apoptosis and neurodegenerative diseases // Psychologie & neuropsychiatrie du vieillissement. 2004. Т. 2. №. 3. С. 203-214.

39. Marcum J. L., Mathenia J. K., Chen R., Cuttmann R.P. Oxidation of thiol-proteases in the hippocampus of Alzheimer’s disease // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2005. Vol. 334, N 2. P. 342-348

40. Mellgren R.L. Canine cardiac calcium-dependent proteases: resolution of two forms with different requirements for calcium // FEBS Lett. 1980. V. 109. P. 129-133.

41. Morris R.G.M. Spatial localization does not require the presence of local cues // Learn. Motiv. 1981. V. 2. P. 239-260.

42. Nixon R.A., Mohan P. Calpains in the pathogenesis of Alzheimer’s disease // Calpain: Pharmacology and toxicology of calcium-dependent protease / Ed. by K.K.W. Wang, P.-W. Yuen. Philadelphia (PA): Taylor and Francis, 1999. P. 229-249.

43. Nixon R.A., Saito K.I., Grynspan F., Griffin W.R., Katayama S., Honda T., Mohan P.S., Shea T.B., Beermann M. Calcium-activated neutral proteinase (calpain) system in aging and Alzheimer's disease // Ann. N-Y Acad. Sci. 1994. V.747. P. 77-91.

44. Rawlings N.D., Barrett A.J., Bateman A. MEROPS: the peptidase database // Nucleic Acids Res. 2012. V. 40. P. D343-D350.

45. Saito K-I., Elce J.S., Hamos J.E., Nixon R.A. Widespread activation of calcium-activated neutral proteinase (calpain) in the brain in Alzheimer’s disease: a potential molecular basis for neuronal degeneration // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1993. Vol. 90. P. 2628-2632.

46. Selkoe D.J. Alzheimer disease: genes, proteins, and therapy // Physiol. Rev. 81. 2001. Vol. 81. P. 741-766.

47. Tymianski M., Charlton M.P., Carlen P.L., Tator C.H. Source specificity of early calcium neurotoxicity in cultured embryonic spinal neurons // J. Neurosci. 1993. V. 13.P. 2085-2104.

48. Vaisid T., Kosower N.S., Katzav A., Chapman J., Barnoy S. Amyloid b peptide toxicity in differentiated PC12 cells: Calpain-calpastatin, caspase, and membrane damage // Neurochem. Int. 2007. V. 51. P. 391-397.

49. Wu H.Y., Tomizawa K., Matsui H. Calpain–calcineurin signaling in the pathogenesis of calcium-dependent disorder // Acta Med. Okayama. 2007. V. 61. P. 123-137.

50. Yamashima T. Ca2+-dependent proteases in ischemic neuronal death: a conserved “calpain-cathepsin cascade” from nematodes to primate // Cell Calcium. 2004. Vol. 36, N 3-4. P. 285-293.

51. Коросов А.В., Горбач В.В. Компьютерная обработка биологических данных. Петрозаводск: ПетрГУ, 2007.

52. Рендаков Н.Л., Лысенко Л.А., Люпина Ю.В., Шарова Н.П., Сельверова Н.Б., Немова Н.Н. Роль лизосомальных протеиназ и эстрадиола в нейродегенерации, индуцированной бета-амилоидом // Докл. АН. 2014

53. Антонов В.К. Химия протеолиза. М.: Мир, 1983. 367 с.

54. Reverter D.,Sorimachi H., Bode W. The structure of the calcium-free human m-calpain. Implications for calcium activation and function// Trends Cardiovasc. Med. 2001a.Vol. 11. P/ 222-229.

55. Kirschener M. Intracellular proteolysis// TCB. 2000. V.9. №. 12. P. M42-M45.

56. Немова Н.Н., Бондарева Л.А. К вопросу об эволюции протеолитических ферментов // Биомедицинская химия. 2008. Т. 54. Вып. 1. С. 42-57.

57. Rawlings N.D., Morton F.R., Kok C.Y. et al. MEROPS: the peptidase database // Nucleic Acids Res. 2008. V. 36. Р. D320–D325.

58. Rawlings N.D., Barret A.J., Batemen A/ MEMORS^ the peptidase datebese. Nucleic Acids Res. 2010. V. 38(Datebase issue): D227-D233.

59. Suzuki K. The structure of the calpains and the calpain gene. In: Intracellular calcium dependent proteolysis. Boca Raton: CRC, 1990. P. 25–35.

60. Suzuki K., Hata S., Kawabata Y. Structure, activation, and biology of calpain// Diabetes. 2004. V. 53 (Suppl.1).Р. 12–18.

61. Strobl S., Fernandez-Catalan C., Braun M. et al. The crystal structure of calciumfree human m-calpain suggests anelectrostatic switch mechanism for activation by calcium // Proc. Natl. Acad.Sci. USA. 2000. V. 97. Р. 588–592.

62. Ishiura S., Murofushi H., Susuki K.,Imahori K. Studies of a calcium-activated neutral protease from chicken skeletal muscle. I. Purification and characterization // J. Biochem. 1978. Vol. 84. P. 225-230.

63. Sorimachi H., Tsukahara T., Okada-Ban M. et al. Identification of a third ubiquitous calpain species-chicken muscle expresses four distinct calpains // Biochim. Biophys.acta.1995b. Vol. 1261.P. 381-393.

64. Nemova N.N., Kaivarainen E. I.,Bondareva L. A. Ca 2+- activated neutral proteinase is some fish erythrocytes // Vestnic Moskovskogo Universiteta.Khimia. 2000. Vol. 42. N 6. Suppl. P. 106-108.

65. Murakami T., Hatanaka M., Murachi T. The cytosol of human erythrocytes contains a highly Ca2+-sensitive thiol protease (calpain I) and its specific inhibitor protein (calpastatin) // J. Biochim. 1981. Vol. 90. P. 1809-1816.

66. Tsuchiyan H., Seki N. Action of calpain on α-actinin within and isolated from carp myofibrils // Nippon Suisan Gakkaishi.1991. Vol. 57. N 6.P.1133-1139.

67. Dayton W.R., Goll D.E., Zeece M.G. et al. A Ca2+_activatedprotease possibly involved in myofibrillar protein turnover. Purification from porcine muscle // Biochemistry.1975. V. 15. Р. 2150–2158.

68. Salem M., Nath J., Killefer J. Cloning of the calpain regulatory subunit cDNA from fish reveals a divergent domain V // Amin. Biotechnol. 2004b. Vol. 15. N 1.P. 145-157.

69. Salem M., Nath J., Rexroad C.E. et al. Identification and molecular characterization of the rainbow trout calpains (Capn1 and Capn2): Their expression in muscle wasting during starvation // Comp. Biophem. Physiol. B. 2005 a. Vol. 140, N 1. P. 63-71.

70. Немова Н.Н., Кяйвяряйнен Е.И., Мосолов В.В. и др. Кальций- активируемая протеиназа в эмбриогенезе лосося Salmo salar L. // Журн. эволюц. Биохимии и физиологии. 1993. № 3. С. 231-235.

71. Wolfe F.H., Sathe S.K., Goll D.E. et al. Chicken skeletal muscle has three Ca 2+ - dependent protenases // Biohim. Biophys. Asta. 1989. Vol. 998, N 3. P. 236-250.

72. Бондарева Л.А. Влияние некоторых факторов среды на внутриклеточный протеолиз у гидробионтов: Автореф. Дис. … канд. биолог. наук. Петрозаводск, 2004. 24 с.

73. Nemova N., Kaivarainen E., Krupnova M. et al. The effect of mercury and acidity on biochemical indices of freshwater fish // The biological essentiality of macro and trace elements. Jena, 2000. P.814-818.

74. Ladrat C., Chapler M., Verrez-Bagnis V. et al. Neutral calcium-activated proteases from European sea bass (Dicentrarchus Ladrax) white muscle: purification, characterization of its activity and activation in vitro // Comp. Biohem. Physiol. B. 2000. Vol. 125, N 1. P. 83-95.

75. Schaad E., Farkas A., Jekely G. et al. A novel SC subunit of the calpains // Biochem. J. 2002. Vol. 362. P. 383-338.

76. Ma H., NakajimaE., Shih M. et al., Expression of calpain small subuit 2 in mammalian tissues // Curr. Eye. Res. 2004. Vol. 29, N 4/5. P. 337-347.

77. Toyohara H., Makinodan Y., Ikeda S. Detection and same properties of calpain II (high Ca 2+ -requiring from of calpain) in carp (Cyprinus carpio) erythrocytes // Comp. Biochem. Physiol. B. 1985. Vol. 81, N 3. P. 583-586.

78. Коросов А.В., Горбач В.В. Компьютерная обработка биологических данных. Издательство: ПетрГУ. 2007. 76 с.

36